Научный руководитель: Курганский Сергей Иванович, д.ф.-м.н.
Соавторы: Переславцева Наталья Сергеевна

Тенденции развития микроэлектроники на сегодняшний день во многом сводятся к уменьшению линейных размеров элементов. Это приводит к большим плотностям токов и разогреву отдельных участков внутри микросхем, и, как следствие, к увеличению рабочих температур различных металлических контактов. Такие локальные разогревы могут повлечь за собой некорректное функционирование или даже порчу изделий. В связи с этим силициды переходных металлов, обладающие металлическими свойствами и высокими температурами плавления, представляют значительный интерес как материалы микро- и наноэлектроники. Стабильность как электронных, так и кристаллических характеристик этих соединений в широком диапазоне температур делает их порой незаменимыми материалами при производстве контактов, барьеров Шоттки, гетероструктур в СБИС. По этой причине изучение электронных свойств силицидов переходных металлов является сегодня важной задачей физики твердого тела. Дисилицид вольфрама полностью удовлетворяет перечисленным выше требованиям: T_пл=2150 C [1], удельное сопротивление r=12.5 мкОм× см [2]. Кроме того, WSi₂ используется при производстве микропроцессоров, модулей памяти различной емкости [3]. Широкий спектр применения в технологиях микро и наноэлектроники обязывает провести тщательное исследование электронных свойств этого материала. Однако к настоящему времени эта задача не была реализована даже экспериментальными методами, а тем более теоретическими (нам известна единственная попытка расчета плотностей состояний объемного материала [4]). Поэтому детальное исследование электронной структуры WSi₂ крайне актуально. В рамках пленочного метода линейных присоединенных плоских волн, формализм которого описан в [5], мы провели расчет полной и локальных парциальных плотностей электронных состояний (ПЭС), рентгеновских эмиссионных и фотоэлектронных спектров (ФЭС) дисилицида вольфрама. Мы надеемся, что результаты нашей работы стимулируют экспериментальные исследования электронной структуры этого соединения.

WSi₂ относится к тетрагональной сингонии (пространственная группа I4/mmm - ) и имеет объемоцентрированную элементарную ячейку, с параметрами a=3.212 и c=7.868 [4]. Для расчета мы взяли тонкую пленку толщиной 27.272 ангстрем, элементарная ячейка которой состоит из 2 элементарных ячеек объемного кристалла с дополнительными слоями кремния с каждой стороны. В элементарной ячейке пленки содержится 12 атомов кремния и 5 атомов вольфрама, из которых неэквивалентными являются 6 атомов кремния и 3 атома вольфрама.

Перейдем к анализу полученных плотностей состояний. Сразу оговорим, что речь будет идти лишь о парциальных плотностях s-, p- и d-электронов, поскольку вклад от остальных состояний незначителен. Плотности s-состояний атомов вольфрама в валентной зоне равномерно рассредоточены в диапазоне от 14 до 2 eV ниже уровня Ферми и не сильно различаются друг от друга как для внутренних, так и приповерхностных атомов. Для p-состояний эта величина распределена в диапазоне от 12 до 1 eV ниже уровня Ферми и имеет максимум в пределах от 3 до 2 eV, который имеет достаточно большую плотность для внутренних атомов по сравнению с близкими к поверхности. Плотность d-состояний имеет максимум при энергии -2.5 eV, который, как и для p электронов, интенсивнее для внутренних атомов по сравнению с приповерхностными.

Плотности s-состояний для всех атомов кремния имеют минимум вблизи уровня Ферми, однако в остальном распределения s-состояний по валентной зоне для атомов из различных слоев пленки отличаются. Для поверхностных атомов кремния плотность состояний рассредоточена в диапазоне -12 - -1 eV, наибольшая концентрация s-состояний приходится на энергетическую область вблизи -6.5 eV, а для атомов внутренних слоев s-состояния распределены по всей валентной зоне от -14 (дно валентной зоны) до -2 eV, максимум плотности приходится на область в окрестности -9 eV. Рассматривая распределение p-состояний для кремния, следует различать атомы поверхностные, внутренние и лежащие между ними. Для поверхностных атомов максимум p-состояний располагается в области -1 - 0 eV, для внутренних имеются два максимума при -6.5 и -2.5 eV. Для промежуточных же атомов кремния характерно равномерное распределение p-состояний по всей валентной зоне. Плотность d-состояний для всех атомов кремния имеет максимум при -2.5 eV, однако величина вклада этих состояний в полную ПЭС незначительна. В целом валентная зона пленки формируется s- и p- состояниями атомов кремния и d-состояниями атомов вольфрама с примесями d-состояний атомов кремния и s- и p- состояний атомов вольфрама.

Фотоэлектронные спектры вычислялись в диапазоне энергий возбуждающих фотонов от 12 до 1486 eV. Независимо от частоты падающих квантов эти спектры обладают некоторыми общими свойствами: они имеют главный максимум при энергии -2.5 eV и практически полностью формируются вкладами p- и d-электронов атомов вольфрама и p-электронов атомов кремния, причем для p-электронов как кремния, так и вольфрама вклад тем больше, чем ближе атомы расположены к центру пленки. Соотношение же между вкладами электронов различной симметрии в ФЭС сильно зависит от энергии падающих фотонов. В случае малых энергий основную роль играют p-электроны атомов вольфрама. При больших энергиях максимальный вклад в ФЭС вносят d-электроны атомов вольфрама, а в случае промежуточных энергий падающих фотонов наибольший вклад в ФЭС приходится от p-электронов кремния и вольфрама. Такое изменение парциальных вкладов от электронов различных симметрий в полный ФЭС приводит к изменению соотношений между интенсивностями основных особенностей спектров с ростом энергии возбуждающих квантов.

1. Максимов В.А. и Шамрай Ф.И., Изв. АН СССР. Неорг. матер., 5, 1136-1141 (1969).
2. Нешпор В.С. и Самсонов Г.В., Изв. АН СССР. Металлургия и горное дело, №1, 1417-1153 (1963).
3. Murarka S.P., J. Vac. Sci. Technol., B4, 1325-1331 (1984).
4. Bhattacharyya B.K.,Bylander D.M. and Kleinman L., Phys. Rev., B32, 7973-7978 (1985).
5. Krakauer H., Posternak M. and Freeman A.J., Phys. Rev., B19, 1706-1719 (1979).